CN103065348B

CN103065348B - 基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法

Info

Publication number: CN103065348B
Application number: CN201210576884.6A
Authority: CN
Inventors: 张宝印; 郭连惠; 张韶华
Original assignee: JIANGSU TAIQITONG SOFTWARE CO Ltd
Current assignee: Jiangsu ruyitong Cultural Industry Co.,Ltd.
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: CN103065348A

Abstract

本发明公开了一种基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法，其步骤包括：创建骨骼和骨骼动作并保存于骨骼动作库；绘制动画造型，根据造型的外观要求，绘制造型图形；绑定骨骼动作和造型图形，从骨骼动作库中调用骨骼动作，绑定骨骼动作和造型图形，将骨骼动作映射到造型图形上；动画内插，根据动画要求内插骨骼动作帧，得到动画序列。通过上述方式，本发明提供的基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法，提高了二维动画制作的效率和质量，有效的节约了制作成本。

Description

基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法

技术领域

本发明涉及了一种动画生成方法，特别是涉及了一种基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法。

背景技术

与传统的顶点动画不同，骨骼动画是一种通过运动的“骨骼”来驱动三维顶点网格模型运动的计算机三维动画。它把骨架作为研究对象，提取运动个体骨骼运动特性数据及其运动的独特性，以骨骼带动肌肉，确定仿真个体的运动趋势。

但是，目前在二维动画制作过程中骨骼动画技术方案的缺陷主要在于以下几点：1、不能很好的发挥骨骼作为造型运动驱动者的作用，而且，由于将其作为调整工具使用，所以不能对骨骼的调整过程进行保存，也就无法起到骨骼对造型动作的指导和借鉴作用，这对骨骼动画原理的使用是一种浪费。2、现有的技术方案不能很好的在动画制作过程中体现不同层次人员的作用，也就无法实现最佳的工作组合，得到最大的效益。3、目前的骨骼动画技术方案中，在造型图形绘制完成后，通过手工绘制骨骼来实现两者之间的附着关系，仅仅是在手绘基础上多了一种调整工具，基本上还是属于传统手绘动画的范畴，无法实现运动过程动画的自动生成，不能满足当前计算机二维动画制作过程中智能化和自动化的现实需求，也不符合当前二维动画制作高效，高质量的产业要求，对二维动画今后发展是不利的。

发明内容

本发明主要是针对现在市场的要求，提供了一种具有高质量、高效率的基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法，其步骤包括：

创建骨骼和骨骼动作，并保存于骨骼动作库；绘制动画造型，根据造型的外观要求，绘制造型图形；绑定骨骼动作和造型图形，从骨骼动作库中调用骨骼动作，绑定骨骼动作和造型图形，将骨骼动作映射到造型图形上；动画内插，根据动画要求内插骨骼动作帧，得到动画序列。

在本发明一个较佳实施例中，所述创建骨骼和骨骼动作并保存于骨骼动作库的步骤包括：创建骨骼和骨骼动作，并调整骨骼动作；设计骨骼动作库；将骨骼动作及运动趋势保存到骨骼动作库中。

在本发明一个较佳实施例中，所述设计骨骼动作库的步骤包括：

设计骨骼的树形层次关系；

根据骨骼关系，建立骨骼动作库。

在本发明一个较佳实施例中，所述绑定骨骼动作和造型图形的步骤包括：

提取骨骼动作；

修改骨骼的长度和大小；

确定造型图形和骨骼动作之间的包含关系；

根据包含关系依次绑定所有的造型图形和骨骼动作。

在本发明一个较佳实施例中，所述确定造型图形和骨骼动作之间的包含关系的步骤包括：

确定骨骼方程；

确定造型图形组成的多边形；

判断骨骼和多边形之间的包含关系。

在本发明一个较佳实施例中，所述动画内插的步骤包括：

把造型图形上的节点映射到骨骼上：

基于骨骼动作参数进行内插，依次得到骨骼动作帧；

根据节点的映射关系，把骨骼动作帧上的节点映射回图形对象；

得到图形运动序列帧，生成二维动画。

本发明的有益效果是：本发明所述的基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法，采用数据库等相关技术，实现基于骨骼来驱动造型运动，进而自动生成动画的过程，改变当前仅把骨骼作为调整工具使用的现状，更加合理的分解二维动画制作工作量，化解当前二维动画制作过程中高级人才缺乏，而低级人才较多的矛盾，提高二维动画制作效率和质量。

附图说明

图1是本发明基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法一较佳实施例的结

流程示意图；

图2是本发明中骨骼的树形层次关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，图1是本发明基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法一较佳实施例的流程示意图；图2是本发明中骨骼的树形层次关系示意图。

创建骨骼和骨骼动作并保存于骨骼动作库；绘制动画造型，根据造型的外观要求，绘制造型图形；绑定骨骼动作和造型图形，从骨骼动作库中调用骨骼动作，绑定骨骼动作和造型图形，将骨骼动作映射到造型图形上；动画内插，根据动画要求内插骨骼动作帧，得到动画序列。

所述创建骨骼和骨骼动作并保存于骨骼动作库的步骤包括：

1）创建骨骼和骨骼动作，并调整骨骼动作。创建骨骼和骨骼动作即原画师根据造型设计要求，绘制分别代表造型身体不同部位的骨骼，一般骨骼都包含头、身体、大臂、小臂、大腿、小腿。

骨骼动作主要包括手臂和腿的挥动、跑步、走路、起立、坐下等，从运动机理上来看，实际上都是身体某一部分的骨骼以某一关节为中心，在一定平面内进行转动或者骨骼整体进行平移的过程。

因此其运动用下列方法进行描述：旋转变换：骨骼的旋转包括X、Y、Z三轴旋转，假设骨骼绕三轴的旋转角度分别为其旋转矩阵分别为：

（1）

则骨骼B绕三轴旋转后的坐标由式（1）得到：

（2）

平移变换：同样的，骨骼的平移也包括X、Y、Z三个方向的平移，平移后的

骨骼可以由式（2）计算得到：

（3）

比例变换：比例缩放变换指定形体的大小，比例变换以坐标原点为参考点，

分别是沿x轴，y轴，z轴方向上的缩放比例，设以三维空间中的骨骼根节点为参考点作比例变换，则首先把平移至原点,经过比例变换后,再平移回到，此时比例变换矩阵为：

2）设计骨骼动作库。

3）将骨骼动作及运动趋势保存到骨骼动作库中，原画师在对骨骼动作调整完成后，将骨骼的第一帧和每一帧的运动趋势、骨骼的类别及其他相关属性存入数据库，以便动画师进行借鉴。

所述设计骨骼动作库的步骤包括：

1）设计骨骼的树形层次关系，本发明中的骨骼包括父骨骼和子骨骼，一个父骨骼可以包含多个子骨骼，一个子骨骼只能依附于一个父骨骼，子骨骼可以包含下一层骨骼。

2）根据骨骼关系，建立骨骼动作库，骨骼动作库中包含骨骼的类别、骨骼动作的名称以及动作的序列数据。

所述绑定骨骼动作和造型图形的步骤包括：

1）提取骨骼动作，根据骨骼动作的名称和骨骼类别从骨骼动作库中查询和造型图形对应的骨骼动作。

2）修改骨骼的长度和大小调整。

3）确定造型图形和骨骼动作之间的包含关系。

4）根据包含关系依次绑定所有的造型图形和骨骼动作。

所述确定造型图形和骨骼动作之间的包含关系的步骤包括：

1)确定骨骼方程，我们把骨骼看成一条直线，其方程的确定根据骨骼绘制时的两个端点进行确定。设骨骼的起点为，其坐标为；骨骼终点为，其坐标为，则骨骼的直线可以用下面方程表示：

（4）

2)确定造型图形组成的多边形,把组成造型的图形对象（除了点状对象外）按照闭合多边形的要求重新组织数据。

3)判断骨骼和多边形之间的包含关系，骨骼多边形的包含关系包括三种情况，包含、相交和不包含，设多边形为P，则判断原则如下：

①如果且，则骨骼被P包含；

②如果，或者，而，则骨骼和P相交；

③如果且，则骨骼不包含于P。

其中，当骨骼被P包含时，P即为骨骼的绑定图形；当骨骼和P相加时，需要进一步判断骨骼的中心点是否包含在P多边形中，如果是，P也可以看成是骨骼的绑定多边形，否则，P多边形不属于当前骨骼的绑定多边形。

对于第三种情况，则需要进一步判断P是不是属于骨骼绑定多边形中的子区域，如果P属于骨骼绑定多边形中的子区域，则当前骨骼的动作同样需要映射到子区域P上，反之，则与骨骼运动无关。

所述动画内插的步骤包括：

1）把造型图形上的节点映射到骨骼上,在完成骨骼和图形之间的绑定后，把组成造型的图形数据映射到骨骼上，具体过程如下：

①确定点和直线之间的方位关系，设B代表一段骨骼，N为三维坐标系中任

意一点，d为N到骨骼的距离，点为N点在骨骼上的投影点，M为通过点，且与Z轴平行的直线和以为圆心、d为半径的圆的交点，是和之间的夹角，空间某一点N和骨骼B之间的关系由N到B的距离d和角度决定。

②计算N点的投影点坐标。设N点坐标为，则以B为法线，过N点的平面方程为：

（5）

其中：

和分别表示骨骼的起点和终点，点即为平面和B的交点，式（4）和式（5）联立方程组，即可求得点的坐标，设最后求得的坐标为。

③计算N点和B之间的方位参数：从①中可知，N点和B之间的方位参数有两个，距离d和角度，分别计算如下：

（6）

是和之间的夹角，根据空间解析几何理论，空间中两条直线的交角就是它们的方向向量的交角，的方向向量由N和点确定，为；而因为和Z轴平行，所以其方向向量可以用（0,0,1）表示,则角由下式得到：

（7）

2)基于骨骼动作参数进行内插，依次得到骨骼动作帧，在完成映射后，根据骨骼关键帧的运动趋势和时间间隔，自动内插得到骨骼的动画序列，其内插过程采用圆弧内插，设表示骨骼的两个顶点，表示骨骼上的一个点，圆弧内插等分的不是两点之间的距离，而是两者之间旋转的角度。对于三维空间的圆弧内插来说，需要对绕X轴、Y轴、Z轴旋转的角度分别进行划分，然后根据划分的角度，对式（1）中的旋转矩阵进行修改，并采用式（2）得到不同角度下的点位坐标，从而完成内插过程。

3)根据节点的映射关系，把骨骼动作帧上的节点映射回图形对象，骨骼完成内插后，把映射到骨骼上的图形节点再根据其映射关系，反算回二维图形中，得到造型的动画序列，设骨骼分别绕X轴、Y轴、Z轴旋转了角度，旋转后的点表示为，M旋转后的点表示为，则最终要计算N点经过变换后的点可以看成是在以为原点，以骨骼为Y轴，以为Z轴的坐标系（记为）中。显然坐标系是通过将原先的OXY坐标系经过两次平移和三次旋转得到:

首先OXY平移到平移到 ;

然后平移到 ;

以为中心，分别绕X、Y、Z三轴旋转。

因此，要计算点的坐标，可以首先计算N点在平面中的坐标，然后再对其进行旋转。

①计算N在坐标系中的坐标，记为：

（8）

②对绕三轴进行旋转，旋转后的坐标记为

（9）

其中根据式（1）得到。

4)得到图形运动序列帧，生成二维动画。

本发明所述的基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法，采用数据库等相关技术，实现基于骨骼来驱动造型运动，进而自动生成动画的过程，改变当前仅把骨骼作为调整工具使用的现状，更加合理的分解二维动画制作工作量，化解当前二维动画制作过程中高级人才缺乏，而低级人才较多的矛盾，提高二维动画制作效率和质量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法，其特征在于：步骤包括：

（1）创建骨骼和骨骼动作，并保存于骨骼动作库；

（1.1）创建骨骼和骨骼动作，并调整骨骼动作；

（1.2）设计骨骼动作库,设计骨骼的树形层次关系，并根据骨骼关系，建立骨骼动作库；

（1.3）将骨骼动作及运动趋势保存到骨骼动作库中；

（2）绘制动画造型，根据造型的外观要求，绘制造型图形；

（3）绑定骨骼动作和造型图形，从骨骼动作库中调用骨骼动作，绑定骨骼动作和造型图形，将骨骼动作映射到造型图形上；

（3.1）提取骨骼动作；

（3.2）修改骨骼的长度和大小；

（3.3）判断造型图形和骨骼动作之间的包含关系；

（3.3.1）确定骨骼方程，将骨骼设置为一条直线，其方程的确定根据骨骼绘制时的两个端点进行确定，设骨骼的起点为，其坐标为；骨骼终点为，其坐标为，则骨骼的直线用下面方程表示：

（4）

（3.3.2)确定造型图形组成的多边形,把组成造型的除点状对象外的图形对象，按照闭合多边形的要求重新组织数据；

（3.3.3)判断骨骼和多边形之间的包含关系，骨骼多边形的包含关系包括三种情况，包含、相交和不包含，设多边形为P，则判断原则如下：

①如果且，则骨骼被P包含；

②如果，或者，而，则骨骼和P相交；

③如果且，则骨骼不包含于P；

其中，当骨骼被P包含时，P为骨骼的绑定图形；当骨骼和P相交时，需要进一步判断骨骼的中心点是否包含在P多边形中，如果是，P看成是骨骼的绑定多边形，否则，P多边形不属于当前骨骼的绑定多边形；

当骨骼不包含于P时，则进一步判断P是不是属于骨骼绑定多边形中的子区域，如果P属于骨骼绑定多边形中的子区域，则当前骨骼的动作同样需要映射到子区域P上，反之，则与骨骼运动无关；

（3.4）根据包含关系依次绑定所有的造型图形和骨骼动作

（4）动画内插，根据动画要求内插骨骼动作帧，得到动画序列;

（4.1）把造型图形上的节点映射到骨骼上：

（4.2）基于骨骼动作参数进行内插，依次得到骨骼动作帧；

（4.3）根据节点的映射关系，把骨骼动作帧上的节点映射回图形对象；

（4.4）得到图形运动序列帧，生成二维动画。

2.根据权利要求1所述的基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法，其特征在于，所述骨骼动作为身体某一部分的骨骼以某一关节为中心，在一定平面内进行转动或者骨骼整体进行平移的过程，具体包括：

1）旋转变换：骨骼的旋转包括X、Y、Z三轴旋转，设骨骼绕三轴的旋转角度分别为，其旋转矩阵分别为：

（1）

则骨骼B绕三轴旋转后的坐标由式（2）得到：

（2）

2）平移变换：骨骼的平移也包括X、Y、Z三个方向的平移，平移后的骨骼

由式（3）计算得到：

（3）

其中，d_x、d_y、d_z分别是骨骼在X、Y、Z三个方向的平移量；

3）比例变换：比例缩放变换指定形体的大小，比例变换以坐标原点为参考

点，S_x、S_y和S_z分别是沿x轴，y轴，z轴方向上的缩放比例，设以三维空间中的骨骼根节点为参考点作比例变换，则把平移至原点,经过比例变换后,再平移回到，此时比例变换矩阵为：

。

3.根据权利要求1所述的基于骨骼动作库的二维动画自动生成方法，其特征在于，步骤（4.1）把造型图形上的节点映射到骨骼上,在完成骨骼和图形之间的绑定后，把组成造型的图形数据映射到骨骼上，其具体过程如下：

（4.1.1）确定点和直线之间的方位关系，设B代表一段骨骼，N为三维坐标

系中任意一点，d为N到骨骼的距离，点为N点在骨骼上的投影点，M为通过点，且与Z轴平行的直线和以为圆心、d为半径的圆的交点，是和之间的夹角，空间某一点N和骨骼B之间的关系由N到B的距离d和角度决定;

（4.1.2）计算N点的投影点坐标,设N点坐标为，则以B为法

线，过N点的平面方程为：

（5）

其中：

和分别表示骨骼的起点和终点，点为平面和B的交点，式（4）和式（5）联立方程组，求得点的坐标，设最后求得的坐标为;

（4.1.3）计算N点和B之间的方位参数：从（4.1.1）中可知，N点和B之间的方位参数有两个，距离d和角度，分别计算如下：

（6）

其中，是和之间的夹角，根据空间解析几何理论，空间中两条直线的交角就是它们的方向向量的交角，的方向向量由N和点确定，为；而因为和Z轴平行，所以其方向向量用（0,0,1）表示,则角由下式得到：

（7）。